(57)【要約】【課題】  短絡手段を備えた燃料電池を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池１または燃料電池スタックに関するものであり、ここで膜電極ユニット（ＭＥＡ）４に隣接する双極板２．１、２．２は、結合した（一体化した）短絡手段５．１、５．２を備え、該短絡手段５．１、５．２は、２つの双極板２．１、２．２を短絡するために、熱を取り入れて導通状態となることが可能である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの双極板（２．１、２．２）と、膜電極ユニットであるＭＥＡ（４）と、を有する燃料電池（１）であって、該膜電極ユニットは前記双極板（２．１、２．２）の間に配置され、各場合において少なくとも１つの接触点（３）を形成し、前記各双極板（２．１、２．２）と前記ＭＥＡ（４）が間接的または直接的に電気的に接触している燃料電池であって、
前記双極板（２．１、２．２）を短絡するために、短絡手段（５．１、５．２）が２つの隣接する前記双極板（２．１、２．２）の間の領域及び／又は２つの隣接する前記双極板（２．１、２．２）内に設けられており、前記短絡手段（５．１、５．２）は、熱を取り入れて導通状態になり得る、燃料電池。
【請求項２】
前記双極板（２．１、２．２）と前記ＭＥＡ（４）とが、少なくとも１つの共通する前記接触点（３）を形成し、前記短絡手段（５．１、５．２）が、それぞれ前記双極板（２．１、２．２）上及び／又は前記双極板内にある前記接触点（３）の領域内に設けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記短絡手段（５．１、５．２）が、少なくとも１つの前記双極板（２．１、２．２）と前記ＭＥＡ（４）との間に配置される、請求項１あるいは２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記短絡手段（５．１、５．２）が、それぞれ前記双極板（２．１、２．２）内及び／若しくは前記ＭＥＡ（４）内に一体化されている、並びに／又は、それぞれ前記双極板（２．１、２．２）及び／若しくは前記ＭＥＡ（４）に取り付けられている、請求項１あるいは２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記短絡手段（５．１、５．２）は、可融性であり、５０℃〜１２０℃の間、特に８０℃〜９０℃の間の融点を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
各前記双極板（２．１、２．２）及び／又は前記ＭＥＡ（４）は、融解した前記短絡手段（５．１、５．２）を確実に流れるようにする流路及び／又は細孔構造を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記短絡手段（５．１、５．２）は、温度に関わらず両方の前記双極板（２．１、２．２）と接触しており、温度範囲５０℃〜１２０℃の間、特に８０℃〜９０℃の間で電気的に導通し、その他の温度範囲では電気的に絶縁している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
高分子電解質膜（ＰＥＭ）（６）が、前記短絡手段（５．１、５．２）によって溶解され得る、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
２つ以上の前記燃料電池（１）が燃料電池スタックを形成し、該燃料電池スタックは共通のガス注入流路に接続されており、前記燃料電池（１）または燃料電池部品は、前記短絡手段（５．１、５．２）を備え、前記ガス注入流路の領域内に配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
温度が臨界にある燃料電池スタックの領域内に配置された、燃料電池（１）または燃料電池部品が、前記短絡手段（５．１、５．２）を備えていること特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの双極板と膜電極ユニット（ＭＥＡ）とを有する燃料電池に関するものであり、膜電極ユニットは双極板の間に配置され、各場合においてそれぞれ少なくとも１つの接触点を形成し、各双極板とＭＥＡとが間接的または直接的に電気的に接触している燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
直列に接続された燃料電池は、既に特許文献１に開示されているが、それによると燃料電池はダイオードに並列に接続されていて、この燃料電池によって生成された電流を短絡させることができない。１つのセルが故障した場合、電流は並列接続されたダイオードを経由して流れるが、これはダイオードの抵抗が低いためである。しかし、通常運転中は、ダイオードの両端に電圧降下が発生し、これが熱を取り入れる結果となる。
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第  １９９  ０７  ３６９  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、単純で効果的な故障（障害、欠陥）時の橋絡（ブリッジング）を確保するため、燃料電池を設計および配置することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によると、この目的を達成するために、２つの隣接する双極板の間及び／又は２つの隣接する双極板内の領域に、双極板を短絡させるため、熱により導通状態となり得る短絡手段を設ける。これは、欠陥のあるセルの温度上昇が短絡手段の融解を引き起こし、この短絡手段が液状となったとき、ＭＥＡ（膜電極ユニット）を通過し、ＭＥＡの気孔性（多孔性）と重力とにより、結果として２つの双極板に電気的短絡をもたらすことを意味する。ＭＥＡ内に配置された高分子電解質膜（ＰＥＭ）は、この場合、単に燃料電池を過熱させるプロセスでも破壊され得るので、短絡手段は、この高分子電解質膜も通過可能である。しかし、この場合、短絡手段にとっては、加熱された液状のとき融解して高分子電解質膜（ＰＥＭ）を通過し、よって２つの双極板を電気的に接触させることも可能である。１つ以上の燃料電池が故障した場合、個々のセルは燃料電池スタック全体の継続稼動を可能にする。１つまたは少数の個々の燃料電池が故障した場合、燃料電池スタックの出力は明らかに低下するが、しかしこの燃料電池スタックは依然として使用可能である。このことから、燃料電池運転（稼働）に対する非常時運転機能が保証される。さらに、燃料電池の故障後に必要な予測は出力の低下だけなので、監視の複雑性及び個々のセルの電圧監視の複雑性を限定することは可能である。
【０００６】
この目的のためには、双極板とＭＥＡが少なくとも１つの共通接触点を形成すること、また短絡手段が、それぞれの双極板上及び／又は双極板内の接触点の領域に設けられていることが有利である。ガスとＭＥＡとの接触は、双極板とＭＥＡとの間の接触点の領域内に短絡手段を配置することで維持される。
【０００７】
１つの発展形態では、追加的選択肢の１つとして、短絡手段が少なくとも１つの双極板とＭＥＡとの間に配置される場合がある。短絡手段が双極板とＭＥＡとの間に配置される場合、短絡手段は燃料電池の設計における別個の構成部品として組み込むことが可能であり、あるいはＭＥＡとそれぞれの双極板との両方に平坦に接続してもよい。双極板とＭＥＡとの間の短絡手段は、双極板とＭＥＡとの間の、接触点と導電性とを確保する。
【０００８】
さらなる利点として、短絡手段は、それぞれの双極板及び／若しくはＭＥＡ内に一体化されて（組み込まれて）いる、並びに／又は、それぞれの双極板及び／若しくはＭＥＡに取り付けられている。双極板内に短絡手段を一体化する（組み込む）には、双極板が細管／細孔（気孔）構造を有する必要があり、これによって短絡手段の組み込みが可能となる。また、それぞれの双極板の表面では、溝および流路構造も可能である。
【０００９】
この目的のためには、短絡手段が可融性であり、５０℃〜１２０℃の間、特に８０℃〜９０℃の間の融点を有することが、さらに有利である。融解温度すなわち融点は、この場合それぞれの燃料電池の限界温度点と一致する。使用される高分子電解質膜（ＰＥＭ）のタイプによって、使用される融点はこの膜（高分子電解質膜）の限界温度と一致し得る。
【００１０】
最後に、本発明による解決策の１つの好ましい実施形態では、融解した短絡手段を確実に流れるようにする流路及び／又は細孔構造を備えている、各双極板及び／又はＭＥＡが提供される。この目的のために設計された流路または細孔構造は、よって一方の双極板から他方へ短絡手段を流すことを可能にするので有利である。流路構造は、溶融液の流れに重力の助けを用いるのに有利であり、溶融液の流れを最適に偏向させかつ誘導するために、特に融解もしくは破壊が意図された高分子電解質膜（ＰＥＭ）について有利である。しかし、溶融液が重力に反して上へ流れようとする場合は、細孔構造とそれに伴う毛管力が使用されるべきである。
【００１１】
本発明において特に重要なのは、温度に関わらず短絡手段が両方の双極板と接触しており、温度範囲５０℃〜１２０℃の間、特には８０℃〜９０℃の間で電気的に導通し、その他の温度範囲では電気的に絶縁している点である。短絡手段はこの場合、高分子電解質膜（ＰＥＭ）を通過し、２つのガス領域を確実に分ける。適切な温度で、短絡手段は電気的に導通し、燃料電池は短絡される。短絡手段を通って流れる電流は、この短絡手段を加熱するプロセスを助ける。高分子電解質膜（ＰＥＭ）はこの場合、破壊されていない運転機能中のときには気密性があり、燃料電池の故障が発生した場合にのみ、融解することによってまたは融解された接触手段によって、より高温となるかまたはその他の原因で、燃料電池故障による温度上昇の結果として破壊され、接触手段が２つの双極板を電気的に接続可能とする。
【００１２】
本発明の設計および配置に関して、高分子電解質膜（ＰＥＭ）が短絡手段により溶解され得ることは有利である。高温のまたは融解した短絡手段は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）と接触し、この高分子電解質膜を融解し、これによって、高分子電解質膜（ＰＥＭ）により、２つの双極板の間に電気的接触を作り出しあるいは短絡を生成する。
【００１３】
２つ以上の燃料電池がガス注入路を備えた燃料電池スタックを形成しており、該燃料電池または燃料電池部品は、短絡手段を備え、ガス注入路の領域に配置されている場合も有利である。ＭＥＡは、燃料電池または燃料電池スタックのガス注入路の領域内で乾燥する場合があり、またこのことが、それぞれの燃料電池の故障、あるいはスタック（燃料電池スタック）の燃料電池部品の故障をもたらす。短絡手段の使用は、特に燃料電池スタックのこの危険な領域において、燃料電池を縮小した出力で運転を継続させることを可能にする。
【００１４】
さらに、２つ以上の燃料電池が燃料電池スタックを形成しており、該燃料電池または燃料電池部品は、短絡手段を備え、温度が臨界にある燃料電池スタックの領域に配置されている場合も有利である。特に過熱されると危険にさらされるところに配置された燃料電池または燃料電池部品の、また、燃料電池スタックのこれら部品は、過熱が発生した際に短絡手段の使用により橋絡され、これによって、スタック（燃料電池スタック）内における危険箇所について、燃料電池スタック全体の故障の可能性を削減する。
【００１５】
本発明のさらなる利点および詳細は、請求項および詳細な説明において説明され、また図によって例示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に示す燃料電池１は、基本的に上部に第１の双極板２．１、および下部に第２の双極板２．２を有する。各双極板（第１の双極板、第２の双極板）２．１、２．２は、くぼみ７．１〜７．３、７．１’〜７．３’を有し、それらは溝形状で、各々が流路を形成している。
【００１７】
膜電極ユニット４は双極板２．１、２．２の間に配置されている。この場合、膜電極ユニット４はそれぞれの双極板２．１、２．２上に平坦に載せられ、溝形状の流路（くぼみ）７．１〜７．３、７．１’〜７．３’は、流路を形成するように、溝の底面と反対の面上が膜電極ユニット４で覆われている。
【００１８】
膜電極ユニット４内には、双極板２．１、２．２を、あるいはそこを流れるガスを分離するために高分子電解質膜（ＰＥＭ）６が設けられている。
【００１９】
双極板２．１は、膜電極ユニット４との接触点３の領域内に短絡手段５．１を備えている。短絡手段５．１はこの場合、双極板２．１内に、あるいは双極板２．１の細孔もしくは空洞内に配置されるが、これ以上詳細は説明しない。こうして、短絡手段５．１は、各流路（くぼみ）７．１〜７．３間だけでなく、双極板２．１と膜電極ユニット４との間の接触点３の領域内に配置される。接触手段（短絡手段５．１）の浸透深度または高さは、この場合それぞれの流路７．１〜７．３の深さの約３０％で、さらに、図示されていない例示的実施形態は、膜電極ユニット４の厚みまたは高さに対応して設計されている。
【００２０】
下部の第２の双極板２．２も同様に、第１の双極板２．１と同じタイプと構成の短絡手段５．２を有する。
【００２１】
図２では、短絡手段５．１、５．２は、双極板２．１、２．２に一体化されていないが、双極板２．１、２．２と膜電極ユニット４との間にあるそれぞれの接触点３の領域内に配置されている。こうして、短絡手段５．１、５．２は、それぞれの双極板２．１、２．２のそれぞれの接触点３と膜電極ユニット４との間に、サンドイッチのように挟まれる。
【００２２】
図３に示す例示的実施形態では、短絡手段５．１、５．２は、膜電極ユニット４内に一体化されている。短絡手段５．１、５．２はこの場合、細孔やくぼみ内に配置される（これ以上の詳細は図示しない）、または膜電極ユニット４内の流路（くぼみ）７．１〜７．３、７．１’〜７．３’の中に配置されるか、またはその接触面の領域に配置される。こうして短絡手段５．１、５．２は、それぞれに双極板２．１、２．２を備えた膜電極ユニット４の表面領域の全面を覆うように広がる。図示していない例示的実施形態においては、短絡手段５．１、５．２の浸透深度または高さは、膜電極ユニット４の厚みに対応して、それより大きくあるいは小さくなるように設計されている。
【００２３】
図４に示す短絡手段５．１、５．２もまた、それぞれの双極板２．１、２．２と膜電極ユニット４との間にサンドイッチのように維持されている。短絡手段５．１、５．２はこの場合、膜電極ユニット４の表面全体を覆うように対応して広がっており、これにより流路７．１〜７．３、７．１’〜７．３’の閉鎖面となっている。これ以上は図示しない例示的実施形態において、短絡手段５．１、５．２の厚みは、膜電極ユニット４の厚みに対応して変化する。
【００２４】
本発明による燃料電池は、原則として可動式機器と固定式機器との両方に適している。しかし、本発明による燃料電池は、車両または携帯用電子機器といった可動式機器で使用することが好ましく、この場合、本発明によって確保されるような、損傷した個々のセルの迅速で単純な橋絡が特に重要となってくる。車両としては、例えば、陸上用車両（乗用車、貨物運搬車、自動二輪車、列車など）、船舶、宇宙船などを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一体化された短絡手段を備える２つの双極板と、膜電極ユニット（ＭＥＡ）とを有する燃料電池の概略図である。
【図２】２つの双極板、膜電極ユニット（ＭＥＡ）、および短絡手段を有する燃料電池の概略図である。
【図３】２つの双極板と、一体化された短絡手段を備える膜電極ユニット（ＭＥＡ）とを有する燃料電池の概略図である。
【図４】２つの双極板、膜電極ユニット（ＭＥＡ）、および連続して配置された短絡手段を有する燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池
２．１  第１の双極板（双極板）
２．２  第２の双極板（双極板）
３  接触点
４  膜電極ユニット（ＭＥＡ）
５．１、５．２  短絡手段  ６  高分子電解質膜（ＰＥＭ）
７．１、７．２、７．３、７．１’、７．２’、７．３’  くぼみ（流路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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